王晶晶 王麗萍/譯

王晶晶，王麗萍 譯自Heliyon，2019，5：1～17

夏俊花 審

摘? 要：家禽可提供優(yōu)質(zhì)的蛋白質(zhì)和微量營養(yǎng)物質(zhì)。在家禽生產(chǎn)中，飼料是主要的投入品，其成本占總生產(chǎn)成本的70％～75％。家禽的飼料主要由谷物組成，能為家禽提供所需的能量。然而，這些谷物含有不同水平的抗?fàn)I養(yǎng)因子，如非淀粉多糖。由于家禽自身缺乏重要的內(nèi)源性酶（碳水化合物酶），無法消化這些非淀粉多糖，從而會增加腸道食糜的黏度，影響營養(yǎng)物質(zhì)的運輸和吸收。這些非淀粉多糖還可通過引起腸道微生物群對可消化營養(yǎng)物質(zhì)的競爭增加家禽感染有害微生物的機會。這不僅會影響家禽的健康，還會增加生產(chǎn)成本。因此，找到效率高和起作用的解決方法極為重要。在非淀粉多糖含量高的日糧中添加碳水化合物酶是解決方案之一，對家禽生產(chǎn)具有重要的作用。多年來，飼用酶一直被用于提高動物消化率和生產(chǎn)性能，但對某些飼料原料的活性有限。新一代碳水化合物酶具有廣泛的活性和穩(wěn)定性，有助于降解日糧中復(fù)雜的底物，提高家禽的生產(chǎn)性能。本綜述總結(jié)了使用碳水化合物酶改善家禽生產(chǎn)性能和腸道健康的最新研究成果。

關(guān)鍵詞：營養(yǎng)學(xué)；獸醫(yī)學(xué)；生理學(xué)；微生物學(xué)；結(jié)構(gòu)生物學(xué)；生物技術(shù)

中圖分類號：S816 文獻標(biāo)志碼：A ? 文章編號：1001-0769（2024）02-0110-03

畜禽在緩解貧困和糧食短缺方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。家禽是重要的畜禽之一，通過肉品和蛋品向人類提供優(yōu)質(zhì)的蛋白質(zhì)和微量營養(yǎng)物質(zhì)，與植物性食物相比更容易被人體吸收。在家禽生產(chǎn)中，飼料成本占總生產(chǎn)成本的70％～75％。家禽的飼料組成主要為谷物，所用谷物主要為玉米、小麥、高粱和植物性蛋白質(zhì)飼料，能提供家禽所需的大部分能量和蛋白質(zhì)。這些谷物還被用于生產(chǎn)生物燃料。由于耕種模式從食品工業(yè)所需的方式向生物燃料工業(yè)要求的模式的轉(zhuǎn)變，以及國際市場上這些原料價格的上漲，促使為動物飼料尋找成本較低、可替代的能量和蛋白質(zhì)來源。研究發(fā)現(xiàn)，一些價格低廉的原料，如大麥、燕麥、三棱麥、黑麥、橄欖油餅和葵花籽粕，在替代玉米、小麥和大豆方面發(fā)揮了重要作用，但它們含有一些抗?fàn)I養(yǎng)因子，如果不進行必要的處理，可能會影響家禽的生產(chǎn)性能和腸道健康。

非淀粉多糖（non-starch polysaccharides，NSPs）分為水溶性NSPs和不溶性NSPs，是一種抗?fàn)I養(yǎng)因子，大量存在于小麥、大麥、葵花籽粕、菜籽粕等飼料原料中。家禽不能消化NSPs是因為缺乏消化NSPs的內(nèi)源性酶。由于不能降解包括高分子量水溶性NSPs在內(nèi)的日糧纖維（構(gòu)成植物細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)性碳水化合物或不可消化成分），家禽攝入這些物質(zhì)后，腸道食糜的黏度會增加，從而會減緩營養(yǎng)物質(zhì)的運輸和吸收，影響家禽的健康，并增加生產(chǎn)成本。由于在配制日糧時使用了這些低質(zhì)量的原料，家禽生產(chǎn)者擔(dān)心的另一個問題是亞臨床挑戰(zhàn)。Kaldhusdal等（2000）發(fā)現(xiàn)，這些亞臨床致病因子也為其他病原體感染（如壞死性腸炎）提供了途徑。Immerseel等（2004）指出，此類感染與黑麥和大麥中的水溶性NSPs有關(guān)，這些NSPs會減緩胃腸道中食糜的消化速度，并將未消化的營養(yǎng)物質(zhì)提供給病原微生物，促進它們增殖。因此，必須找到解決這些問題的辦法。Saleh等（2018）和Zhou等（2009）研究發(fā)現(xiàn)，在日糧中添加外源性飼用酶，可提高家禽對營養(yǎng)物質(zhì)的消化率和利用率。這些酶有助于提高家禽的生長性能，改善它們的腸道健康（腸道的組織形態(tài)和微生物群）。

鑒于高纖維日糧存在的上述問題，本綜述旨在提供有關(guān)利用碳水化合物酶來解決這些問題的最新研究進展，從而改善家禽的生長性能和腸道健康。

1? 飼料原料及其組成

家禽飼料主要由谷物、蛋白質(zhì)飼料組成，以滿足家禽對能量和蛋白質(zhì)的需要。這些飼料原料所含的碳水化合物（多糖）會被家禽分泌的酶分解成單糖（葡萄糖等），作為機體的能源被利用。這些碳水化合物根據(jù)它們在植物中的位置（細(xì)胞壁和細(xì)胞內(nèi)容物）、營養(yǎng)和生理價值（淀粉和NSPs）以及分析方法可進行分類。日糧纖維根據(jù)分析方法主要分為粗纖維、中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維，根據(jù)消化率分為不溶性日糧纖維和水溶性日糧纖維，如圖1a所示。在這些纖維中，NSPs屬于非α-葡聚糖的多糖異質(zhì)群，其結(jié)構(gòu)、分子大小和溶解性各不相同。NSPs包括纖維素、半纖維素（阿拉伯木聚糖）、β-葡聚糖、果聚糖等。纖維素、阿拉伯木聚糖和β-葡聚糖構(gòu)成了家禽所采食谷物中的大部分纖維成分。纖維素是一種不溶于水的纖維，含有β（1-4）鍵連接的葡萄糖分子，是細(xì)胞壁的主要結(jié)構(gòu)成分。阿拉伯木聚糖由β（1-4）鍵連接木糖單元的線性主鏈和與木糖上碳2、碳3或碳5連接的阿拉伯糖和其他糖的側(cè)鏈組成。β-葡聚糖由含有β（1-3）（1-4）鍵糖苷鍵的β-D-葡萄糖多糖組成。然而，阿拉伯木聚糖和β-葡聚糖都溶于水。β-葡聚糖的溶解性與聚合物的分子大小和鍵的類型有關(guān)。Luchsinger等（1965）研究發(fā)現(xiàn)，在被β（1-3）鍵打斷之前，水溶性β-葡聚糖很少擁有長序列的β（1-4）鍵。β（1-4）鍵的序列越長，水溶性β-葡聚糖的表現(xiàn)就越像纖維素。在不同種類中，β-葡聚糖的支化度不同，因為β-葡聚糖在小麥和大麥中的聚合度和分子量都高于其在玉米中的。圖1b展示了利用各種外源性微生物酶對這些纖維的降解情況。

Choct（2006）和Knudsen（2014）分別研究發(fā)現(xiàn)，小麥含有大量高分子量的具有較強抗?fàn)I養(yǎng)特性的阿拉伯木聚糖，占總干物質(zhì)的7.3％；而大麥則含有大量的β-葡聚糖，其β（1-3）鍵與β（1-4）鍵的比值很高。如果一起喂給動物，這兩種谷物會在消化道中形成凝膠，降低營養(yǎng)物質(zhì)的消化率和利用率。玉米等非黏性谷物的細(xì)胞壁主要由低分子量的阿拉伯木聚糖和少量的β-葡聚糖組成，不會產(chǎn)生黏性問題。Knudsen（1997）和Slominski（2011）分別發(fā)現(xiàn)，豆粕和菜籽粕的細(xì)胞壁含有阿拉伯半乳聚糖、半乳聚糖、木聚糖和β-葡聚糖，但它們的含量相對較低。這兩種飼料原料含有較高水平的低聚糖（水蘇糖和棉子糖）和果膠。豆粕中的果膠由半乳糖醛酸主鏈和由鼠李糖、半乳糖、阿拉伯糖、木糖和果糖組成的側(cè)鏈構(gòu)成。果膠與細(xì)胞壁中的纖維素結(jié)合，在動物的胃腸道中可溶。NSPs在動物的胃腸道中有多種作用機制。

2? NSPs的抗?fàn)I養(yǎng)作用機制

NSPs可通過各種機制產(chǎn)生抗?fàn)I養(yǎng)作用。Choct等（1996）研究發(fā)現(xiàn)，動物大量攝入這些水溶性日糧纖維會增加腸道內(nèi)容物的黏度，形成黏稠的凝膠，從而降低內(nèi)源性消化酶和底物的擴散速度，阻礙腸道黏膜表面的相互作用。Hedemann等（2009）發(fā)現(xiàn)，食糜的黏度增加還會導(dǎo)致腸道黏膜層增厚，這表明小麥中高濃度的水溶性NSPs會通過其在動物腸道中的物理化學(xué)作用，最大限度地減少動物對飼料中營養(yǎng)物質(zhì)的消化和吸收。結(jié)果，營養(yǎng)物質(zhì)的消化和吸收速度減慢，采食量和增重減少。Cowieson（2010）估計，由于玉米-豆粕型日糧含有NSPs，每千克飼料中有400～450 kcal的可消化能未被消化。另一方面，細(xì)胞壁中的不溶性NSPs會將淀粉、蛋白質(zhì)和其他營養(yǎng)物質(zhì)包裹起來——俗稱“籠蔽效應(yīng)”，阻礙內(nèi)源性酶獲得可消化的營養(yǎng)物質(zhì)。

除了對動物腸道的形態(tài)和生理產(chǎn)生直接影響外，NSPs還會產(chǎn)生間接影響。Simon（1998）研究發(fā)現(xiàn)，水溶性NSPs會降低動物小腸中的氧張力，從而有利于厭氧微生物群的增殖，導(dǎo)致一些厭氧微生物產(chǎn)生短鏈脂肪酸/揮發(fā)性脂肪酸和毒素。這會誘發(fā)淋巴細(xì)胞浸潤腸壁，并導(dǎo)致腸道上皮細(xì)胞凋亡。腸道生態(tài)的這種變化（從好氧或兼性厭氧環(huán)境到嚴(yán)格厭氧環(huán)境）可能會誘發(fā)胃腸道應(yīng)激，嚴(yán)重影響腸道正常的生理過程。

未完，待續(xù)。

原題名：An update on carbohydrases： growth performance and intestinal health of poultry （英文）

原作者：Ahmad Raza、Saira Bashir和Romana Tabassum

3? 碳水化合物酶對家禽生長性能的影響

在家禽日糧中添加碳水化合物酶/飼用酶始于20世紀(jì)80年代末和90年代初，因為它們能夠解決家禽因采食高纖維日糧造成的墊料潮濕、消化和表觀代謝能問題。酶制劑被用來平衡NSPs對家禽腸道健康和生產(chǎn)性能的不利影響。Odetallah等（2002）和Silva等（2002）的研究表明，真菌和細(xì)菌酶可有效降解小麥、大麥、黑麥和燕麥日糧中的β-葡聚糖和阿拉伯木聚糖。選擇哪種外源性飼用酶是一項重要工作，主要取決于配制日糧時所用的飼料原料。Abdel-Hafeez等（2018）研究表明，與采食基礎(chǔ)日糧（即馬鈴薯皮-甜菜粕型日糧）的對照組肉雞相比，在基礎(chǔ)日糧中添加酶，可以改善肉雞的體重、采食量和飼料轉(zhuǎn)化率。Cardoso等（2018）報道，在日糧中添加外源性酶，可提高家禽腸道食糜的黏度和內(nèi)源性內(nèi)切木聚糖酶活性低的小麥型日糧的營養(yǎng)價值。Yildiz等（2018）證明，無論干酒槽及其可溶物（distillers dried grains with solubles，DDGS）的添加量如何，日糧中添加木聚糖酶均能提高產(chǎn)蛋母雞的產(chǎn)蛋率，降低腸道食糜的黏度。表1還列出了其他一些關(guān)于外源性飼用酶的使用方法、添加量及其對各種飼料原料營養(yǎng)價值和動物生產(chǎn)性能影響的最新研究成果。

木聚糖酶（半纖維素酶）和β-葡聚糖酶（纖維素酶）是降解家禽日糧中NSPs（包括阿拉伯木聚糖和β-葡聚糖）的常用酶。Juanpere等（2005）、Mathlouthi等（2002）和Wu等（2004）研究表明，在小麥-大麥型日糧中添加木聚糖酶和β-葡聚糖酶，可使肉雞腸道食糜的黏度分別降低30％～50％和300％。腸道食糜黏度的降低可提高家禽對日糧中蛋白質(zhì)和表觀代謝能的消化率，改善它們的耗料量、日增重和飼料轉(zhuǎn)化率。商用酶制劑中的木聚糖酶來于細(xì)菌和真菌，如芽孢桿菌、里氏木霉等微生物。木聚糖酶會隨機降解阿拉伯木聚糖的主鏈，從而產(chǎn)生支鏈低聚木糖。木聚糖酶隨后會被乳酸桿菌和雙歧桿菌等有益菌水解，從而增加有益菌的數(shù)量，減少致病菌（如產(chǎn)氣莢膜梭菌）的數(shù)量。此外，木聚糖酶還能通過提高家禽腸道食糜的排空率和營養(yǎng)物質(zhì)的消化率，抑制小腸中發(fā)酵微生物的增殖。因此，通過減少宿主與腸道微生物群之間的競爭，提高營養(yǎng)物質(zhì)的利用率。Cowieson等（2009）研究發(fā)現(xiàn)，木聚糖酶可以將玉米型日糧中氨基酸的總表觀回腸消化率提高15％，使小麥型和黑麥型日糧中氨基酸的總表觀回腸消化率分別提高16％和30％。添加外源性飼用酶還能提高肉雞對玉米-豆粕型日糧中氨基酸的表觀回腸消化率。另一方面，纖維素酶由自然界中多種微生物產(chǎn)生，如細(xì)菌、某些真菌和放線菌。纖維素酶由多種酶組成，如內(nèi)切葡聚糖酶（EC 3.2.1.4）、外切葡聚糖酶（EC 3.2.1.74）和β-葡萄糖苷酶（EC 3.2.1.21）。內(nèi)切葡聚糖酶作用于纖維素鏈的末端，釋放出的最終產(chǎn)物為β-纖維二糖；外切葡聚糖酶能夠隨機降解內(nèi)部的O-糖苷鍵，產(chǎn)生不同長度的葡聚糖鏈；β-糖苷酶專門作用于β-纖維二糖，產(chǎn)生葡萄糖，如圖1b所示。

日糧中添加外源性飼用酶除了能在提高日糧中營養(yǎng)物質(zhì)消化率、改善動物生產(chǎn)性能等方面產(chǎn)生積極作用外，也有報道稱，在某些情況下不能改善家禽的生產(chǎn)性能。Mohammed等（2017）研究證明，在日糧中添加酶對肉雞生產(chǎn)性能（生長性能、胴體性狀和肉質(zhì)）沒有影響。Olgun等（2018）也研究證明，日糧中添加酶不能有效防止小麥對蛋雞的生產(chǎn)性能和蛋殼質(zhì)量產(chǎn)生的負(fù)面影響。同樣，Walters等（2018）研究表明，在玉米碎屑中添加酶對肉雞的最終生產(chǎn)性能沒有影響。出現(xiàn)這些情況可能是由于這些原料中的NSPs在化學(xué)結(jié)構(gòu)上發(fā)生了改變，或添加的酶無效。不同NSPs在化學(xué)結(jié)構(gòu)上并不一致，它們的組成因飼料原料的不同而不同。因此，添加的酶使動物對某一種飼料能取得良好的消化率，然而對另一種飼料可能達不到同樣的效果。因此，開發(fā)能作用于多種底物的新型酶十分重要。

4? 新一代飼用酶

Cozannet等（2017）首次使用了新一代飼用酶（碳水化合物酶）這一術(shù)語。這些酶具有獨特的熱穩(wěn)定性、廣泛的pH作用范圍和高水平的活性，能夠提高動物對日糧中所有營養(yǎng)物質(zhì)的消化率。Cozannet等（2017）建議使用富含木聚糖酶和阿拉伯呋喃糖苷酶的下一代或新一代碳水化合物酶，以提高肉雞的整體消化率。事實上，內(nèi)切木聚糖酶通過降解木聚糖主鏈有助于降解阿拉伯木聚糖鏈。然而，多重阿拉伯糖的置換會降低木聚糖酶的降解效率，尤其是在用玉米及其相關(guān)副產(chǎn)品配制的日糧中。阿拉伯呋喃糖苷酶可將阿拉伯糖從木糖主鏈中裂解出來，并為內(nèi)切木聚糖酶的降解活動提供途徑。因此，在酶制劑中添加脫支鏈酶是提高酶制劑整體酶解效率的有效方法。最近，Cowieson等（2018）報道，在家禽生產(chǎn)中使用新一代碳水化合物酶，日糧中無需添加抗生素生長促進劑。這可能是由于日糧的消化轉(zhuǎn)移到了腸道前部，使腸道后段的微生物群“餓死”，從纖維狀物質(zhì)中產(chǎn)生可發(fā)酵的低聚糖，對腸道pH和腸道細(xì)胞的增生產(chǎn)生有益作用。同樣，Askelson等（2017）還證明，直接飼喂微生物和外源性酶可改善家禽的生產(chǎn)性能，它們有可能成為抗生素生長促進劑的重要替代品。

新一代碳水化合物酶的生產(chǎn)仍然需要廣泛地了解家禽營養(yǎng)、生物技術(shù)、原材料的快速分析、劑量優(yōu)化等方面的知識，以便在體外和體內(nèi)條件下發(fā)揮更好的性能。

5? 碳水化合物酶與腸道健康

動物腸道健康的概念是非常容易理解的，取決于對日糧、腸道形態(tài)和腸道微生物區(qū)系的了解（圖2a）。所有這些因素相互作用，以維持胃腸道的正常功能和動態(tài)平衡。如今，如何配制成本低、營養(yǎng)均衡的家禽日糧備受關(guān)注。在功能良好的胃腸道中，腸道形態(tài)對將營養(yǎng)物質(zhì)從腸腔輸送到系統(tǒng)循環(huán)中起著重要作用。如圖2b所示，腸道的主要屏障是腸上皮的黏液層和緊密連接。腸道形態(tài)（絨毛高度、隱窩深度和腸上皮細(xì)胞周轉(zhuǎn)率）會隨外源性因素的變化（例如有無食物和病理學(xué)條件）而變化。腸道隱窩越深，表明組織周轉(zhuǎn)越快，因為它們含有干細(xì)胞，被認(rèn)為是絨毛工廠。腸黏蛋白/黏液是杯狀細(xì)胞分泌的高分子量糖蛋白。Smirnov等（2005）研究發(fā)現(xiàn)，雞結(jié)腸和小腸中的杯狀細(xì)胞能夠大量表達黏蛋白2。如圖2c所示，NSPs可增加腸黏蛋白的分泌。因此，NSPs通過其在家禽腸道中產(chǎn)生的物理化學(xué)作用，減少動物對日糧中營養(yǎng)物質(zhì)的消化和吸收。腸道微生物區(qū)系主要由細(xì)菌組成，真菌和原生動物的數(shù)量較少。消化液的化學(xué)組分會改變胃腸道微生物群的組成，因為不同菌種具有各自的生長需求，對底物的偏好也不同。Langhout（2000）發(fā)現(xiàn)，日糧中的NSPs會顯著減少肉雞腸道中有益菌的數(shù)量，同時增加致病菌的數(shù)量。由于高纖維日糧，未消化/未吸收的營養(yǎng)物質(zhì)會改變豬和家禽腸道中的微生物種群。

外源性飼用酶可增強動物小腸的消化功能，減少大腸中腐敗菌和淀粉利用菌的底物供應(yīng)量。如圖2d所示，這些外源性飼用酶有助于降低豬腸道食糜的黏度，從而預(yù)防疾病。Józefiak等（2006）研究表明，在大麥型、小麥型、燕麥型和黑麥型日糧中添加木聚糖酶和葡聚糖酶，可顯著提高肉雞盲腸中丁酸鹽和乙酸鹽的濃度，但在青稞型和燕麥型日糧中添加，沒有觀察到此類效果。外源性飼用酶對NSPs的降解和溶解，會增加豬盲腸中微生物發(fā)酵的可用底物（低聚糖或單糖）數(shù)量，導(dǎo)致回腸中揮發(fā)性脂肪酸/短鏈脂肪酸產(chǎn)量下降，表明微生物發(fā)酵減少，而盲腸中微生物發(fā)酵明顯增加。肉雞盲腸微生物發(fā)酵增加會導(dǎo)致低聚木糖大量產(chǎn)生，其可以從不可消化的底物中產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸/短鏈脂肪酸和能量，通常還能使腸道微生物群（乳酸菌）更健康。因此，添加了外源性飼用酶的NSP組分代表了另一個潛在的能量庫，如果能使其發(fā)酵，則可以提高肉雞的生產(chǎn)性能。Hübener等（2002）通過在小麥型或黑麥型日糧中添加木聚糖酶，飼喂7日齡肉雞后發(fā)現(xiàn)，黏附在腸道黏膜上的乳酸菌數(shù)量明顯減少，但在大齡肉雞的腸道黏膜上卻沒有觀察到該情景，這可能是由于隨著年齡的增長，肉雞對日糧中淀粉的消化增加所致。同樣，Broekaert等（2011）認(rèn)為，聚合度小于10的阿拉伯木聚糖屬于益生元化合物，在家禽小腸中不會被消化。Ravn等（2018）發(fā)現(xiàn)，這些阿拉伯木聚糖會在肉雞大腸中發(fā)酵，能夠促進腸道有益菌（如丁酸菌）的生長。

綜上所述，要想改善家禽的生長性能，需要在日糧中添加新一代碳水化合物酶，這些酶應(yīng)具有合適的底物活性、功效、熱穩(wěn)定性和耐酸堿性。

6? 結(jié)論

含有高水平水溶性NSP的日糧會增加家禽腸道食糜的黏度，進而會阻礙營養(yǎng)物質(zhì)的消化，對家禽的健康和生產(chǎn)性能產(chǎn)生不利影響。新一代碳水化合物酶有助于消化多種日糧纖維，降低家禽腸道食糜的黏度，減少宿主和腸道微生物群對小腸中短鏈脂肪酸的競爭，提高營養(yǎng)物質(zhì)的消化率。減少腸道中病原微生物的載量，改善腸道健康。

原題名：An update on carbohydrases： growth performance and intestinal health of poultry （英文）

原作者：Ahmad Raza、Saira Bashir和Romana Tabassum